石油钻井工程技术发展与装备需求_图文


石油钻井工程技术发展 与装备需求分析

1

前 言
2 3 4

汇 报 内 容
5

气体钻井与装备需求分析
垂直钻井与装备需求分析 超深钻井与装备需求分析 认识与建议





石油工程是实现油气勘探开发目标的重要手段,是 储量发现、油气上产、稳产的关键,石油工程技术的每 一次进步,都极大地推动了勘探开发的发展,有效保障 了勘探增储、开发增产、降本增效。

?

随着油气勘探开发不断向深海、沙漠、极地、高山等自然地理环

境恶劣的边远地区延伸,向深层、“三高”气藏、低压低渗透、稠油、
非常规资源等难动用储量延伸,特殊工艺井数量不断增长,促使国内 外钻井工程技术得到快速发展 ? 钻采工程技术装备是实现油气勘探开发的重要保障。钻采工程技

术的不断创新和提高是有效降低勘探开发成本,增加油气产量的重要 手段,也为石油装备制造业发展提出了更高的要求。

集团公司发展战略对未来装备的发展提出了更高要求 资源战略 稳定东部,加快西部,发展南方,开拓海外 东部硬稳定、西部快上产、天然气大发展





挑 战

上山下海进深层,低渗稠油进海相

? 根据集团公司勘探开发和形势发展的需要,结合国际石油 行业发展的趋势,量身打造石油工程技术和配套装备。

? 分析与国内外先进石油工程装备存在的差距,为集团公司
装备的发展提供依据。 下面重点就气体钻井、垂直钻井和超深钻井技术发展与 装备需求进行介绍。

气体钻井与装备需求分析

1、气体钻井特点及现状
气体钻井 是指以气体为工作循环介质,把钻屑从井底带到 地面的一种钻井方式,已被国内外钻井界公认为是提高钻井速 度、缩短钻井周期的一项革命性技术。

分类: ?
?
? ? 空气钻井

氮气钻井
天然气钻井 尾气钻井

纯气体钻井

?
?

雾化钻井
泡沫钻井(气相可以是空气、氮气、天然气)

优势:
? 机械钻速高 ? 钻头寿命长 ? 利于控制井斜 ? 缩短钻井周期 ? 消除井漏 ? 无需泥浆,利于环保

问题:
? ? ? ? ?

不适用于含大量地层水的井段 不适用于用于高含H2S的地层 不适用于易坍塌井段 钻具失效频率高 不利于岩屑录井

国内外应用现状
? 在美国和加拿大,气体钻井技术的应用比较成功,用空

气、氮气、天然气等气基流体为循环介质,开发低渗、 衰竭、易漏储层,提高钻速,其设备已趋于完善,技术 趋于成熟。
? 气体钻井技术在国内正处于快速发展时期。
? 自川东北老君1井和普光气田P302-1(D-1)井首次应用

空气钻井技术成功以来,集团公司在川东北地区集成引 进、研究应用了气体钻井技术,大幅度提高了上部陆相 地层钻井速度,缩短了钻井周期。

2、气体钻井装备现状
(1)气体钻井的主要设备

气体钻井的主要设备有空气压缩机、增压机、管汇系统、旋

转防喷器、排屑管线以及与管汇系统和工艺相适应的阀门、仪表
等,氮气钻井还有膜制氮机等。

(3)集团公司气体钻井装备现状
?
?

集团公司气体钻井设备配套能满足一般气体钻井工
集团公司空压机总供气量能力达到2800m3/min,满足

艺的需要,符合国际油气井最新通用安全标准的要求。
了不同条件下气体钻井的施工要求。
集团公司气体钻井设备配套情况
胜利 空压机 24 中原 34 西南 30 集团公司 88

增压机
膜制氮机 雾化钻井泵

11
5 2

6
6 3

9
9 4

26
20 9

(4)技术水平及设备对比分析
对比 项目 国外 中石油 集团公司

应用 情况
空气锤

Weatherford 每年在世界范围 2007年完成39口; 2007年完成49口; 内气体钻井施工近 1800多口。 龙岗穿过须家河; 川东北3口井穿须家河;
长寿命空气锤, EMWD测量能力4000m 空压机技术成熟 循环泡沫钻井技术成熟 开发了空气锤 空气锤正在研制

EMW D
设备 配套 泡沫 钻井

EMWD在原理研究 EMWD现场试验,3000m 阶段
空压机采用进口产品 空压机采用进口产品 正在进行循环泡沫钻井技 术试验

在气体钻井方面与国外先进水平相比主要差距是:空压机、
测量技术和空气锤质量方面。

3、气体钻井关键技术装备需求
(1)加大国内空气钻井相关配套设备,特别是大排量空气压缩 机组的国产化研究力度,缩小同国外同行的差距。 (2)加大空气锤及其配套钻头的研制和应用,提高可靠性、耐 用性,并实现系列化。目前中原油田钻井工程技术研究院正在攻关 空气锤及配套钻头项目,前期现场试验已经取得阶段成果。

设计试制的φ320钻头

样机地面试验前照片

(3)加强特殊气体钻井地面分离器的研制与应用,
实现气体的循环利用。 (4)加大泡沫钻井的消泡装置研究与攻关。目前 中原油田钻井工程技术研究院正在开发泡沫钻井机械 消泡装置,室内试验消泡率达到75%以上。 (5)加强井下燃爆监测及防控软硬件系统的开发, 目前中原油田钻井院正在研发空气钻井防燃爆井下短 节及燃爆监测软硬件系统。

防燃爆短节

(6)加强气体钻井测量技术的设备配套和开发。集团公司已经完成国 产电磁波随钻测量仪EMWD样机的研制,现场试验井深已经达到3000m。

(7)加强研制、配套及应用气体钻井定向工艺井所必需的空气螺杆钻
具(或称气体螺杆钻具)。 (8)加强相关井下工具(气体减震器、气体井下套管阀、打捞工具等)

的研制、配套及应用。
(9)加强高压力级别的旋转防喷器的研制。 (10)加强自动送钻系统在气体钻井中的应用,引进研发钻井软扭矩系

统,改善井下钻具受力状况,延长井下工具使用寿命,降低钻具失效频率。
(11)针对制约录井的地层出水、岩屑采集与分析等瓶颈问题,完善配 套相应的综合录井硬件及软件系统。

垂直钻井与装备需求分析

1、垂直钻井技术发展

防斜打快技术,一直是国内外专家致力研究的课题,目前 有:

? 利用下部不同钻具组合进行防斜纠斜;
? 利用定向井技术进行防斜纠斜; ? 利用自动垂直钻井技术提高纠斜稳斜效率和井眼轨迹控制 精度。

目前自动垂直钻井技术主要为国外贝克休斯和斯
伦贝谢等公司的产品,国内集团公司胜利石油管理局 已自主研制了机械式自动垂直钻井系统 。 国内得到商业推广应用的主要是VertiTrak 垂直钻 井系统和PowerV垂直钻井系统 。

Schlumberger

Baker Hughes

Eastman Te1eco

德国智能钻 井公司

胜利石油管理局钻 井工艺研究院

PowerV

VertiTrak

VDS

ZBE5000

MVDT

2、自动垂直钻井系统
VertiTrak
VertiTrak垂直钻井系统,是一种闭环自 动垂直钻井系统。 钻进时当MWD重力传感器检测到有井 斜趋势时,即可启动液压部件,并传送实时 井斜数据到地面系统以方便控制和监测。
井号 秋南1井 大湾3井 铁北1 雷北1井 分1井 进尺/m 2459.47 742.12 65.36 647.90 548.46 纯钻/h 704.9 245.98 43.3 133.29 318.9 钻速/m/h 3.49 3.02 1.51 4.86 1.72 0.2 0.20 井斜(°) 0.96° 0.2

静态推靠式 VertiTrak

(1)优越性和适用性
? 适用于大倾角地层和多断层地区(典型的情况是山前 和硬地层钻井)的钻井作业。 ? 系统对井斜的控制基本不受钻井参数和地层造斜趋势 的影响。

? 导向单元不旋转,工具寿命长。

(2)局限性
由于其滑动钻井方式,对于岩层可钻性差、钻压传递 困难的深井,以及易发生粘吸卡钻的井眼,存在一定 的不利因素。

(3)设备要求
? VertiTrak工具工作时,由钻进工作模式(Steer

Mode)转换到非钻进工作模式(Ribs-off Mode)时,
对泥浆泵的排量调节精度要求较高,应尽量选用电动泥 浆泵。

?

由于施工泵压及排量较高,对泥浆泵提出了较高的

要求。

Power-V
使用POWER-V工具在地层倾角大、钻进速度低、 钻压受限地区可提高钻井速度,节约钻井周期,具有 井身质量好,可避免井下复杂情况的发生等特点。
PowerV垂直导向钻井技术使用效果
井号 钻井方式 复合钻进 PowerV 常规 PowerV 733.53 542.73 1677.01 进尺/m 平均机 械钻速 /(m/h) 1.36 35% 1.84 0.74 147.3% 1.83 钻速 提高 井 斜 井斜使用前的3.8 °降为 0.4~0.9 ° ,后期由于工 作不正常,3个点达到3.24.2 ° 井斜由原来的1 °降为 0.5 ° , 并 保 持 至 井 深 1743m , 后 期 个 别 点 为 1~1.6 °

动态推靠式 PowerDrive

普光 7井

黑池 1井

(1)优越性和适用性
? 旋转导向系统特别适用于地层倾角大于40°、 自然造斜力强的地层; ? 广泛适用于使用泥浆马达进行滑动钻进时比较 困难的深井以及易发生粘卡的复杂井。

? 可在钻进中自动感应井斜,自动设定并调整仪
器的侧向力,使井眼快速返回垂直状态,可控制井 斜在0.5°以内。

(2)局限性
PowerV工具稳定性不高。在高硬度地层Pad磨损较快。

(3)设备要求
? 钻井设备:要求循环系统的承压能力高,钻机设备性能 要好,尤其是泥浆泵性能要好,最好配备三台泥浆泵。

? 排量和压降:系统要求排量38~60l/s的排量要求。钻头
压降达到4MPa以上,再加上MWD需要2MPa的压降。因 此,比常规钻井增加6MPa压降。

VertiTrak 垂直钻井系统和PowerV垂直钻井系统

VertiTrak
钻进方式 钻头压降 钻井模式转换 适用井眼尺寸 滑动 无要求 钻进-划眼

PowerV
旋转 600~800PSI 不需转换

8"~97/8"和12"~28" 5 1/2"~22"

MVDT
MVDT是胜利石油管理局钻井工艺研究院 自主研制的机械式垂直钻井系统 ,采用机械 结构控制,无电子装置和控制。
机械式自动垂直钻井系统设计参数表
井斜 控制 精度 /° ≤3 侧向 推靠 力 /kN ≥20 防斜\纠斜 效率 /(°/30m) 巴掌 行程 /mm 压力 损耗 /MPa 工具 长度 /m 适应 转速 /(r/min)

≥1~2

15

2

3

≤120

机械式自动垂直钻井工具(MVDT)在雷北1井进行了现 场试验应用,试验井段1034.56~1137.56m,试验时钻压加大 至18~20t,井斜控制在2.5°~3.0°。 取得了明显效果,有待继续完善。

3、关键技术装备需求
国内的防斜、纠斜井下专用工具研究处于起步阶段。 建议加大对该技 术的研究和开发力度,早日形成具有我国自主知识产权,机、电、液一体 化自动控制的垂直钻井装备; 一是要围绕可靠性和钻井效率,加大井下机械扶正纠偏执行系统的开 发研究; 二是要进一步加大国内MWD与井下机械扶正纠偏执行系统一体化集

成研究;
三是要加大研究MWD与地面分析系统和井下机械扶正纠偏执行机构 数据的互联互通,实现有效的闭环控制;

四是重点研究垂直钻井动力钻具和高效钻头的优化配套。

超深钻井与装备需求分析

1、超深井钻井特点及现状
(1)超深井界定 国外:完井垂深超过20000ft(6096m)的井;

国内:完井垂深在6000~9000m为超深井
(2)地质条件具有复杂性和不确定性 地层压力系统多、地层压力异常、地应力集中,高温、 高压、高矿化度、高H2S浓度,地层破碎、地层塑性流变 等地层不确定因素。

(3)对钻井技术和装备提出了更高的要求
? 多压力系统、高陡构造、难钻地层的安全优质高效钻井技术;

? 高密度、抗高温、抗污染钻井液技术;
? 井下复杂情况及事故预防与处理技术; ? 提高复杂层段小间隙固井质量技术; ? 超深井段压裂技术,先进技术装备的应用与发展。

(4)超深井钻井现状
世界上已钻成8000m以上的超深井12口,其中美国6口,中国只有1口。

国内深井钻井技术近年发展迅速:
?1998年以来,国内完成超深井500余口,其中集团公司完成200余口。 ? 集团公司国内(也是亚洲)最深的井——塔深1井,完钻井深8408m;

? 中石油完成的最深井——莫深1井,完钻井深7380m。
? 集团公司目前正在钻一口超深井——川科1井,设计井深8875m。 全球9000m以上的钻机共有100台左右,其中80余台在美国。美国超深 井钻井水平较高。1999~2004年,美国台月钻井进尺是我国的2倍。 最近几年,随着超深油气藏开发的需要,超深复杂结构井(如超深定 向井、水平井等)在川东北等地区开始应用。

2、超深井钻井技术装备现状及发展瓶颈

(1)超深井提速钻井技术 (2)超深复杂结构井技术 (3)超深小井眼技术 (4)超深欠平衡钻井及控压钻井技术

(5)超深井钻井液及固相控制技术

(1)超深井提速钻井技术装备现状及发展瓶颈

提高机械钻速
国内外提速技术和装备的研究热点 螺杆钻具+高效PDC钻头 涡轮钻具+金刚石钻头 欠平衡钻井和气体钻井技术 井底增压技术

现 旋冲钻井技术 状 旋转导向钻井技术
空化射流技术

?由于螺杆耐温不足,在深部提速应用方面受到一定的限制;

瓶 颈

?国外的涡轮钻具比较成熟,而国内还处在现场试验阶段;
?井底增压器国外应用较多,我国的井下增压泵输出压力为150MPa; 但目前还不能进行大范围内的推广应用。

防斜打直
国内技术和装备 光钻铤大钻压防斜技术 国外技术和装备 PowerV 自动垂直钻井系统 VertiTak 自动垂直钻井系统 VDS自动垂直钻井系统 SDD自动直井钻井系统 ADD自动定向钻井系统

现 状

偏轴钻具组合防斜打快技术 刚柔钻具组合防斜打快技术 井下动力钻具防斜打快技术

? 在井身质量控制方面,动力学防斜工具在高陡地层中

瓶 颈

应用效果不理想。 ? 自动垂直钻井工具防斜效果好,但费用较高。 ?仪器受深部地层高温高压限制,超深复杂结构井的井眼轨迹精 细控制较为困难。

减少井下复杂
?对于井壁失稳等复杂情况,工艺技术与设备工具方面比较薄弱。 ? 在利用新技术和设备(反循环钻井、控压钻井技术和膨胀管技术 等)处理井下复杂尚处于探索阶段。

(2)超深复杂结构井技术装备现状及发展瓶颈
?近几年,超深复杂结构井开始用于开发超深油气藏

现 状

?利用“单弯螺杆+HTHP MWD+PDC钻头” 技术、地层自然 造斜规律优选井位技术,有效控制了井身轨迹。 ?关键装备是高温高压随钻测量仪器,HALLIBURTON和 BAKER HUGHES等生产的MWD仪器代表了国外随钻测量仪 器水平,其中部分仪器抗温达到175℃,耐压到达20000Psi。 ? 国内钻井技术服务市场上国外仪器占的比例比较大。

瓶 ? 国内厂家生产的MWD仪器,大多处于初级阶段,且技术指标与先 颈 进水平差距甚远,标称耐温125℃、耐压18000psi。
? 高温、高压、腐蚀给测量工具、螺杆和井控装置的优选带来很大 困难。

(3)超深小井眼技术装备现状及发展瓶颈
现 状
?

川东北和新疆地区的超深井普遍存在小井眼,平均段长在700m左右。

?在提速方面,超深小井眼一般采用螺杆+PDC钻头,要求螺杆抗温超 过120℃,连续作业时间超200h; ? φ127mm涡轮钻具在国外使用较多,国内目前还处在试验应用阶段。

? 在防斜打直方面,现场采用常规钟摆钻具+机械式无线随钻测斜仪, 最高工作温度:260℃,最大适用井深:7000m。
? 国外已将连续油管用于钻超深小井眼,国内将其用于钻井的很少。

瓶 颈
? 常规螺杆已经不适合超深小井眼钻进,且钻头选型困难;

? 井下测斜仪器还很难满足小井眼高温高压的要求;
? 超深小井眼钻柱受力复杂,对所用小尺寸钻具的要求高; ? 小井眼对流体侵入比较敏感,目前手动控制实现快速压井比较困 难; ? 钻井液易受高温及粘土、膏盐等污染的影响,其性能维护困难, 泵压高,压耗大,易造成携砂困难、井壁不稳定以及钻具故障等问 题。

(4)欠平衡及控压钻井技术装备现状及发展瓶颈
?

平衡钻井技术在西部超深井钻井(低压储层)中有一定应用前景。

现 ? 普通欠平衡钻井技术目前应用较为成熟,全过程欠平衡由于在接单 状 根、压井、固井等非钻进时间很难做到欠平衡,应用较少。
控压钻井技术在国外的海洋钻井中应用较多,在国内还处于试验阶 段。2007年,塔里木油田进行了现场试验。
?

?国内旋转防喷器压力级别较低。

瓶 颈

?国外控压钻井设备配套基本完善,国内还处在起步阶段。
?全过程欠平衡钻井和控制压力钻井还需要加大设备配套力度,尤其 是控压钻井设备。

(5)超深井钻井液及固相控制装备现状及发展瓶颈 现状
目前,国内外超深井钻井液体系主要有油基、水基两大类。 ? 油基钻井液体系热稳定性好,抗温260℃,但是维护费用高,测 井解释困难。 ? 水基钻井液体系成本低,但须通过抗高温处理剂复配才能保证 其性能。 ? 振动筛目数在80~120目之间,清洁器可分离20~74μm,中速 离心机分离7~20μm以上的固相颗粒,高速离心机分离2~7μm 以上的固相颗粒。
?

瓶 颈
? 超深井钻井液高温处理剂品种较少,成本高; ? 超高温下,超高密度钻井液流变性差,经常陷入

“加重—增稠—降粘—加重剂沉降—密度下降—再
次加重”的恶性循环; ? 高密度和高粘度钻井液给振动筛带来很大挑战;

? 现有离心旋流式除砂除泥效率低;
? 现有离心机2μm以下的固相颗粒无法分离,且不 能用于处理加重钻井液。

3、关键技术装备需求
(1)超深井地面装备

(2)钻具
(3)钻头 (4)井下动力钻具 (5)随钻测量仪器 (6)参数仪表(数字、智能型等)

(1)超深井地面装备 钻机
? 目前国外已研究开发出多种自动化超深井钻机,

? 挪威海事液压公司和意大利Drillmec公司研发了新 型无绞车液压钻机,钻深能力10660m。 美国 Schramm(善姆)公司推出了伸缩桅杆的TXD系列 静液传动无绞车型动力头钻机。
? 我国石油钻机相继开发了交流变频电驱动、直流 电驱动等9000~12000m深井钻机和系列顶部驱动装 置,基本满足国内目前超深井钻井需求。 ? 但在超深井特种钻机工艺需求上和直流电动钻机 主电机自动送钻上还须进一步探讨和加大研发力度。

泥浆泵
? 三缸单作用泥浆泵向大功率、长寿命、交流变频方向发展。 ? National-Oilwell公司的14-P220(2200HP),德国Wirth公司 (2200~ 3000HP) 、美国Lewco公司(3000HP)泥浆泵,均为高压、 大排量和交流变频驱动。 ?目前,美洛杉矶Beverly Hills油田,钻机配备的泥浆泵共有4个液力端, 每缸行程长达2718mm的机械驱动长行程泥浆泵。 ?美国埃里斯-威廉姆斯工程公司生产的E-2200型(2200HP)泥浆泵轴 承无故障工作时间达125000h。EH-2200型(2200HP)轴承无故障工作 时间达100000h。 以上超高压、大排量和静压低脉动泥浆泵很值得国内借鉴学习和研 究开发。

固相控制装备
? ? ?

研制超细目大处理量的振动筛,配合多筛并行处理; 研制薄层导流式真空除气器; 配置超高速离心机或可调速的多功能离心机,既可处

理2μm以下更小固相颗粒,也可处理加重钻井液。

防喷器
? 一些特殊井,应配备140MPa以上的抗硫防喷器。美国、 法国等已研制了176MPa的防H2S的常规防喷器,国内相关 厂家已研发出140MPa的抗硫防喷器和节流管汇。 ? 国外旋转防喷器最高动密封压力达21MPa,国内只能达 到10.5MPa,还需要加大高压力级别旋转防喷器的研制与 开发。

(2)钻具
应配备S135、V150高强度合金钢制成的超强钻具及接头,为了减轻

钻机载荷,应考虑配套密度低、高强度的镁铝合金钻具。

(3)钻头
? 购买或研制适合φ165.1mm、φ149mm小井眼牙轮、 PDC、孕镶钻头,确保井下连续工作时间大于200h。 ? 研发非光滑仿生钻头。

(4)井下动力钻具
? 研发或购买液动锤,满足超深井段(小井眼)的需要。

仿生钻头

? 超深井井下动力钻具满足工作时间:≥200h;抗温:≥260℃的要求;

(5)随钻测量仪器
? ?

测斜仪:引进或研发耐温260℃,耐压180MPa的抗高温、高压测斜仪。

随钻测量工具:引进或研发耐温260℃以上;耐压180MPa;连续工作 时间大于200h)MWD、SWD和LWD。

(6)参数仪表
? 引进吸收美国Martin-Declcer公司的最新产品M/D-3200数据收集系统 或Totco公司的Visulogger系统;引进吸收美国landmark钻井数据管理平 台、意大利Agip公司的钻井信息系统; ? 引进吸收具有高低限报警和自动控制的钻井数字参数仪,并具有专家 系统,可进行分析、处理、自动控制等功能。

4、其他配套技术的装备需求
(1)固井装备需求
目前,现有固井混浆设备混浆能力在1.0g/cm3至2.3g/cm3 之间,无法满足超高密度(>2.6g/cm3)和超低密度(< 1.0g/cm3)水泥浆要求,需引进或研制满足超高密度和超低 密度的固井混浆设备。

(2)测井装备需求
? 超深井测井施工必须具备动力大的深井绞车、耐高温(260℃)、 耐高压(180MPa)、高可靠的井下仪器和电缆,同时,还必须具备 高温小井眼仪器(外径70mm)。 目前国内仪器生产厂家还无法生产 出满足超深井测井技术要求的测井设备,短期内依然依赖进口。 ? 研发滚筒能容纳加强型7芯油矿电缆的万米绞车; ? 研发液压动力绞盘测井辅助系统,以消除电缆在滚筒上的挤压现象; ? 研发耐高温、高压井下仪器及电缆(耐温260℃、耐压180MPa)。

(3)压裂装备需求
从世界压裂技术和设备发展看,压裂装备正向着多功能、高可靠 性方向发展,大马力、抗高压、大排量的压裂设备在压裂施工中越来

越广泛地得到应用。
? 配备140MPa高压管汇;压裂泵液力端在140MPa工作压力下的

可靠性以及高压密封件、易损件的工作寿命应达到经济合理的要求。

?

同时应加快仪表车、混砂车国产化研发。

认识与建议
1、有效建立工程技术需求与装备需求的联动评价机制;

2、石油工程技术与装备需求要统筹规划,科学协调,稳步
推进; 3、石油装备发展要坚持引进研发与新技术推广并重,加速 科技成果转化 ; 4、积极推进石油装备技术的重点突破和自主创新 。


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